(57)【要約】      （修正有）【課題】体格の大型化および駆動部のオーバーヒートを招くことなく、騒音が低減されるとともに、蓄えられる廃液の容量が大きな燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】燃料電池スタック２０と、前記燃料電池スタックへ燃料または空気のいずれか一方または両方を供給する供給ポンプ３２，３１、および前記燃料電池スタックから廃液を排出する排出ポンプ３３を有する駆動部３０と、前記排出ポンプにより前記燃料電池スタックから排出された廃液を保持する保液部を有し、前記燃料電池スタックから排出された廃液を蓄え、前記駆動部を覆うパッケージ部材４０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへ燃料または空気のいずれか一方または両方を供給する供給ポンプ、および前記燃料電池スタックから廃液を排出する排出ポンプを有する駆動部と、
前記排出ポンプにより前記燃料電池スタックから排出された廃液を保持する保液部を有し、前記燃料電池スタックから排出された廃液を蓄え、前記駆動部を覆うパッケージ部材と、
を備える燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記保液部は、前記パッケージ部材の形状を維持する骨格を形成する請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記保液部は、廃液を吸収するゲルである請求項１または２記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記保液部は、廃液を吸収するスポンジである請求項１または２記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記パッケージ部材は、不定形の袋状に形成され、前記燃料電池から排出された廃液が蓄えられると変形する請求項１から４のいずれか一項記載の燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体の燃料を用いる燃料電池モジュールの場合、燃料電池モジュールは、燃料電池スタックに燃料および空気を供給する供給ポンプおよび燃料電池スタックから廃液を排出する排出ポンプを備えている。従来、液体の燃料を用いる燃料電池モジュールは、屋外での利用を前提としていたため、燃料電池スタックから排出された廃液はそのまま廃棄されている。
【０００３】
一方、近年では、液体の燃料を用いる燃料電池モジュールを例えば家電の電源のように屋内で利用することが求められている。屋内で燃料電池モジュールを利用する場合、燃料電池スタックから廃液をそのまま排出することはできない。そのため、燃料電池モジュールは、内部に廃液を蓄える容器を備えている。廃液を蓄える容器は、燃料を蓄える燃料タンクと同容量またはそれ以上の容量を必要とする。その結果、燃料電池モジュールの大型化を招き、小型化が困難である。
【０００４】
そこで、例えば特許文献１に開示されているように、一つのタンクを燃料タンクと廃液を蓄えるタンクとの間に可動性の仕切りを設け、燃料の減少によって生じた空間に廃液を蓄える技術が公知となっている。
【特許文献１】特開２００３−３６８７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されている技術の場合、タンクには燃料の減少にともなって廃液が満たされるため、燃料を補給することは困難である。すなわち、燃料を補給する場合、燃料電池モジュールの運転を停止し、タンクごと取り替える必要がある。
ところで、燃料電池モジュールを屋内で利用する場合、騒音の低減も重要である。上述のように燃料電池モジュールは、供給ポンプおよび排出ポンプといった騒音を生じる駆動部を備えている。駆動部は電動であるため、例えばエンジンで駆動される発電機に比較すると騒音は小さい。そのため、燃料電池モジュールを屋外で利用する場合、駆動部から生じる音は大きな問題とならない。しかし、燃料電池モジュールを屋内で利用する場合、駆動部の騒音は無視できない。そこで、燃料電池モジュールの燃料電池スタックおよび駆動部を収容するハウジングの内側に吸音材を貼り付けたり、駆動部の周囲を吸音材で覆ったりすることが考えられている。
【０００６】
しかし、ハウジングの内部および駆動部の周囲に吸音材を設けると、駆動部の放熱が妨げられる。そのため、駆動部のオーバーヒートを招くおそれがある。また、吸音材を設けることにより、廃液タンクを設ける空間が低減され、結果として燃料電池モジュールの体格の大型化を招くおそれがある。
そこで、本発明の目的は、体格の大型化および駆動部のオーバーヒートを招くことなく、騒音が低減されるとともに、蓄えられる廃液の容量が大きな燃料電池モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）請求項１記載の燃料電池モジュールは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックへ燃料または空気のいずれか一方または両方を供給する供給ポンプ、および前記燃料電池スタックから廃液を排出する排出ポンプを有する駆動部と、前記排出ポンプにより前記燃料電池スタックから排出された廃液を保持する保液部を有し、前記燃料電池スタックから排出された廃液を蓄え、前記駆動部を覆うパッケージ部材と、を備える。
駆動部の周囲はパッケージによって覆われるため、駆動部から放出される音が低減される。パッケージは保液部を有しており、保液部には廃液が保持されている。そのため、パッケージの内部の廃液量が少ないときでも、保液部が遮音し、駆動部から放出される音は低減される。したがって、外部に放出される騒音を低減することができる。
また、パッケージは、燃料電池スタックから排出された廃液を蓄える。そのため、駆動部は、パッケージに蓄えられた廃液によって冷却される。したがって、駆動部のオーバーヒートを防止することができる。
さらに、パッケージは、保液部によって廃液を保持するとともに、内部に廃液を蓄える。パッケージは、駆動部の周囲に限らず、燃料電池モジュールの内部に自由に配置される。そのため、パッケージの容量は大きくなる。したがって、廃液を蓄えるパッケージのために空間を確保する必要がなく、体格の大型化を抑えることができる。
【０００８】
（２）請求項２記載の燃料電池モジュールでは、前記保液部は、前記パッケージ部材の形状を維持する骨格を形成する。
これにより、パッケージの内部の廃液量が少ないときでも、保液部によって形状が維持されたパッケージは、駆動部を確実に覆う。したがって、パッケージの内部の廃液量にかかわらず、駆動部から外部へ放出される騒音を低減することができる。
【０００９】
（３）請求項３記載の燃料電池モジュールでは、前記保液部は、廃液を吸収するゲルである。
これにより、構造の複雑化を招くことなく、安価な材料で保液部を構成することができる。
【００１０】
（４）請求項４記載の燃料電池モジュールでは、前記保液部は、廃液を吸収するスポンジである。
これにより、構造の複雑化を招くことなく、安価な材料で保液部を構成することができる。
【００１１】
（５）請求項５記載の燃料電池モジュールでは、前記パッケージ部材は、不定形の袋状に形成され、前記燃料電池から排出された廃液が蓄えられると変形する。
これにより、廃液の量が少ないとき、パッケージは駆動部の周囲をはじめとして燃料電池モジュールの内部に適宜張り巡らされている。そして、廃液の量が増大すると、パッケージは徐々に膨らむ。そのため、パッケージの配置に必要な空間が比較的小さくても、大容量のパッケージが設置される。したがって、体格の大型化を招くことなく、パッケージの容量を増大させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池モジュールの概略を示す断面図である。図２は、本発明の一実施形態による燃料電池モジュールにおいて排水ポンプの近傍を拡大した模式的な断面図である。
燃料電池モジュール１０は、ハウジング１１を備えている。ハウジング１１は、底板１２およびカバー１３を有している。ハウジング１１の内部には、燃料電池スタック２０、駆動部３０、燃料タンク１４、エアフィルタ１５およびパッケージ部材４０が収容されている。
【００１３】
燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック２０を備えている。本実施形態の場合、燃料電池スタック２０は、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）である。ＤＭＦＣの場合、燃料極２１側には燃料としてメタノール水溶液が供給され、空気極２２側には空気が供給される。また、燃料極２１側からは反応生成物として二酸化炭素が排出され、空気極２２側からは反応生成物として廃液としての水が排出される。燃料極２１と空気極２２との間には、電解質膜２３が設置されている。燃料極２１および空気極２２は、図示しない外部の負荷に接続される。
【００１４】
ＤＭＦＣにおける反応式は、以下の通りである。
燃料極：ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-
空気極：Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ
したがって、全体として反応式は、次の通りである。
２ＣＨ3ＯＨ＋３Ｏ2→２ＣＯ2＋４Ｈ2Ｏ
【００１５】
駆動部３０は、供給ポンプとしての空気ポンプ３１および燃料ポンプ３２と、排出ポンプとしての排水ポンプ３３とを有している。空気ポンプ３１は、大気中から空気を導入し、導入した空気を燃料電池スタック２０の空気極２２に供給する。空気ポンプ３１の空気導入側は、導入通路３４を経由してエアフィルタ１５に接続している。エアフィルタ１５は、空気中の塵や埃などの異物を除去する。空気ポンプ３１の空気吐出側は、吐出通路３５を経由して燃料電池スタック２０の空気極２２に接続している。これにより、空気ポンプ３１は、エアフィルタ１５を経由して導入した空気を燃料電池スタック２０の空気極２２へ供給する。
【００１６】
燃料ポンプ３２は、燃料タンク１４に蓄えられた燃料を燃料電池スタック２０の燃料極２１に供給する。燃料ポンプ３２の燃料導入側は、導入通路３６を経由して燃料タンク１４に接続している。燃料タンク１４は、燃料となるメタノール水溶液を蓄える。燃料ポンプ３２の燃料吐出側は、吐出通路３７を経由して燃料電池スタック２０の燃料極２１に接続している。これにより、燃料ポンプ３２は、燃料タンク１４から吸入したメタノール水溶液を燃料電池スタック２０の燃料極２１へ供給する。
【００１７】
排水ポンプ３３は、燃料電池スタック２０で生成する反応廃液である水をパッケージ部材４０に排出する。排水ポンプ３３の排水導入側は、排水通路３８を経由して燃料電池スタック２０の空気極２２に接続している。排水ポンプ３３の排水吐出側は、接続通路３９を経由してパッケージ部材４０に接続している。接続通路３９は、排水ポンプ３３の排水吐出側とパッケージ部材４０とを接続している。これにより、燃料電池スタック２０で生成した水は、排水ポンプ３３によってパッケージ部材４０に排出される。
【００１８】
燃料電池スタック２０の燃料極２１では、反応生成物として二酸化炭素が生成する。二酸化炭素は気体である。そのため、生成した二酸化炭素は、燃料電池スタック２０の燃料極２１から大気中へ排出される。
パッケージ部材４０は、駆動部３０を構成する空気ポンプ３１、燃料ポンプ３２および排水ポンプ３３の外側を覆っている。パッケージ部材４０は、図２に示すように袋状に形成されており、内部に燃料電池スタック２０から排出された水を蓄える貯水空間４１を形成している。パッケージ部材４０は、図１に示すように排水ポンプ３３に接続するとともに、排水ドレーン４２を有している。パッケージ部材４０に蓄えられた水は、排水ドレーン４２を経由して燃料電池モジュール１０の外部へ排出される。
【００１９】
パッケージ部材４０は、図２に示すようにフィルム部４３および保液部４４を有している。フィルム部４３は、袋状のパッケージ部材４０の外形となる被膜を構成している。フィルム部４３は、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートあるいはポリアミドなどの柔軟な樹脂フィルムで構成されている。フィルム部４３には、例えば金属蒸着膜を形成したり、金属膜を貼り付けてもよい。フィルム部４３は、強度を維持できる程度に厚さを必要とする一方、駆動部３０の各ポンプの外側に沿って自由に変形する程度の柔軟性が必要である。そこで、フィルム部４３の厚さは、数十μｍから数ｍｍ程度に設定することが望ましい。
【００２０】
保液部４４は、パッケージ部材４０のフィルム部４３の内部に収容されている。保液部４４は、例えばアクリルアミドゲルなどの吸水性のゲルから構成されている。保液部４４は、パッケージ部材４０の内部に薄く均一に充填されている。パッケージ部材４０の内部に保液部４４を均一に充填することにより、パッケージ部材４０は自由に変形可能な柔軟な状態を維持しつつ一定の形状を保持する。すなわち、保液部４４は、フィルム部４３の外形を維持し、パッケージ部材４０の骨格を形成している。また、パッケージ部材４０に保液部４４を設けることにより、排水ドレーン４２から貯水空間４１の水を排出しても、一定量の水が保液部４４に蓄えられている。なお、保液部４４は、吸水性のゲルに限らず、例えばスポンジなどを適用してもよい。また、保液部４４は、物理的に水を保持する槽を有する骨格部材を適用してもよい。
【００２１】
パッケージ部材４０は、駆動部３０の空気ポンプ３１、燃料ポンプ３２および排水ポンプ３３の外周側を覆っている。パッケージ部材４０の空気ポンプ３１、燃料ポンプ３２および排水ポンプ３３側は、これらのポンプにほぼ密着している。図２では、説明の簡単のため排水ポンプ３３とパッケージ部材４０との間に円環状のすき間を描いているが、排水ポンプ３３とパッケージ部材４０との間に形成されるすき間はわずかであり、すき間の形状は不規則である。
【００２２】
パッケージ部材４０は、内部に柔軟な骨格を形成する保液部４４を有している。そのため、パッケージ部材４０は、駆動部３０の空気ポンプ３１、燃料ポンプ３２および排水ポンプ３３の外周側を柔軟に覆いつつ一定の形状を維持している。そして、燃料電池スタック２０の運転が継続すると、燃料電池スタック２０から排出された水がパッケージ部材４０に流入する。これにより、燃料電池スタック２０の運転を継続するにしたがって、貯水空間４１に蓄える水が増大し、パッケージ部材４０は徐々に膨らんでいく。そのため、パッケージ部材４０は、一定の形状を維持しつつ、駆動部３０の空気ポンプ３１、燃料ポンプ３２および排水ポンプ３３の外形に沿って変形する。
パッケージ部材４０は、駆動部３０の空気ポンプ３１、燃料ポンプ３２および排水ポンプ３３を覆っている。これにより、パッケージ部材４０は、空気ポンプ３１、燃料ポンプ３２および排水ポンプ３３から発生する音を吸収する。
【００２３】
そこで、以下において、パッケージ部材４０による騒音レベルの低減効果について検証する。
燃料電池モジュール１０を屋内で利用する場合、燃料電池モジュール１０の作動にともなう騒音レベルが４０ｄＢ（Ａ）以下になることが望ましい。そこで、本実施形態の燃料電池モジュール１０では、生じる騒音レベルの目標値として４０ｄＢ（Ａ）以下と設定する。
ここで、パッケージ部材４０を備えない点を除いて本実施形態と同一の構成の燃料電池モジュールを比較例とした。
【００２４】
検証の結果を図３に示す。図３は、パッケージ部材４０の厚さと燃料電池モジュール１０の外部に放出される騒音レベルとの関係を示す図である。比較例の燃料電池モジュールは、パッケージ部材を備えないため、作動にともなって外部に放出される騒音レベルが５０ｄＢ（Ａ）となる。そのため、パッケージ部材４０による静音化対策を行わない場合、燃料電池モジュール１０は運転時の騒音が大きくなり、屋内での利用に適していないといえる。
【００２５】
本実施形態の燃料電池モジュール１０のパッケージ部材４０は、燃料電池スタック２０の運転にともなって貯水空間４１に蓄えられる水の量が増大し、厚みが増していく。そこで、パッケージ部材４０に蓄えられる水の量と、パッケージ部材４０の厚さと、燃料電池モジュール１０の外部に放出される騒音レベルとの関係を表１に示す。また、表１におけるパッケージ部材４０の厚さと騒音レベルとの関係は図３に示す通りである。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
表１に示すように、パッケージ部材４０に蓄えられる水の量が増大するにしたがって、パッケージ部材４０の厚さは増大するとともに、騒音すなわち駆動部３０から外部へ放出される音の騒音レベルは低減される。表１において、パッケージ部材４０の厚さが５ｍｍのとき、パッケージ部材４０に蓄える水の量は「０」となっている。しかし、本実施形態の場合、パッケージ部材４０は保液部４４を有しているため、貯水空間４１に蓄えられる水の量が「０」であっても、パッケージ部材４０の内部には保液部４４に保持された水が残っている。このように保液部４４に水を保持することにより、燃料電池スタック２０の運転開始前のようにパッケージ部材４０の貯水空間４１にほとんど水がないときでも、駆動部３０から発生する騒音はパッケージ部材４０に吸収される。その結果、駆動部３０から燃料電池モジュール１０の外部に放出される音の騒音レベルを４０ｄＢ（Ａ）以下にすることができる。したがって、本実施形態の燃料電池モジュール１０は、外部に放出される音を低減することができ、屋内でも十分に利用することができる。
【００２８】
次に、図４に示すように音の周波数と騒音レベルとの関係を検証する。図４では、燃料電池モジュール１０の外部に放出される音の周波数と騒音レベルとの関係を示している。図４では、本実施形態の燃料電池モジュール１０に適用するパッケージ部材４０の厚さを１０ｍｍに設定している。パッケージ部材４０の厚さが１０ｍｍのとき、表１に示すようにパッケージ部材４０の貯水空間４１には約１リットルの水が蓄えられている。また、比較例として、上述のようにパッケージ部材を備えない燃料電池モジュールを採用する。
【００２９】
ヒトの聴覚は、音の周波数によって感度に差が生じる。そのため、すべての周波数域で音を低減しなくても、ヒトが敏感な周波数領域における音を低減することにより、静音化を達成することができる。ヒトの聴覚は、１ｋＨｚより小さな低周波の音よりも、１ｋＨｚを超える高周波の音に敏感である。図４に示すように、１ｋＨｚよりも小さな低周波領域では、本実施形態の燃料電池モジュール１０の騒音レベルは比較例と同等である。一方、１ｋＨｚを超える周波数領域では、本実施形態の燃料電池モジュール１０の騒音レベルは比較例に対し大きく低減している。これにより、本実施形態の燃料電池モジュール１０は、ヒトが敏感な高周波領域の音を吸収し、全体としてヒトが感じる騒音レベルを低減することができる。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池モジュール１０は、駆動部３０から発生する音を吸収する。これにより、駆動部３０から燃料電池モジュール１０の外部へ放出される音の騒音レベルが低減される。したがって、燃料電池モジュール１０を屋内でも利用することができる程度に静音化することができる。
また、本実施形態の燃料電池モジュール１０は、柔軟なパッケージ部材４０に燃料電池スタック２０から排出された水を蓄える。パッケージ部材４０を柔軟な材料で形成することにより、パッケージ部材４０はハウジング１１の内部において駆動部３０の外側に形成される不規則な形状の空間において駆動部３０に沿って設置される。このハウジング１１の内部において駆動部３０の周囲に形成される不規則な空間は、デッドスペースに過ぎない。そのため、本実施形態の場合、ハウジング１１の内部のデッドスペースを有効に利用してパッケージ部材４０の容量を確保している。これにより、多くの排水を蓄えるために大容量かつ定形の排水タンクは不要となる。したがって、燃料電池モジュール１０の体格の大型化を招くことがない。また、パッケージ部材４０の容量を増大可能であるため、体格の大型化を招くことなく燃料電池モジュール１０を屋内において長期間運転することができる。さらに、パッケージ部材４０の貯水空間４１からドレイン４２を経由して排水しつつ、燃料を補給することにより、燃料電池モジュール１０の長期間の運転が可能となる。
【００３１】
本実施形態の燃料電池モジュール１０では、柔軟なパッケージ部材４０の内側に保液部４４を有している。保液部４４は、パッケージ部材４０が形成する貯水空間４１の水がなくなっても一定量の水を保持するとともに、パッケージ部材４０の形状を一定に維持する。そのため、燃料電池スタック２０の運転開始時のように、燃料電池スタック２０からの排水がほとんどない場合でも、パッケージ部材４０の形状が維持されるとともに、保液部４４に保持された水によって駆動部３０から発生する音が吸収される。したがって、燃料電池モジュール１０の運転開始時から外部へ放出される音を確実に低減することができる。
【００３２】
本実施形態の燃料電池モジュール１０では、パッケージ部材４０は駆動部３０の各ポンプを覆っている。パッケージ部材４０の貯水空間４１には、燃料電池スタック２０から排出された水が蓄えられる。水は、熱容量が大きいため、駆動部３０の各ポンプから発生する熱を吸収しやすい。これにより、駆動部３０の各ポンプをパッケージ部材４０で覆う場合でも、各ポンプはパッケージ部材４０に蓄えられた水によって冷却される。したがって、各ポンプのオーバーヒートを防止することができる。
【００３３】
以上のように、本実施形態の燃料電池モジュール１０は、低騒音で長期間の運転に対応することができる。そこで、燃料電池モジュール１０は、屋内で利用される電気機器および電子機器に適用することができる。
例えば、屋内で使用されるテレビジョンなどの家電、またはパーソナルコンピュータなどのコンピュータ機器などの電源として幅広く適用することができる。
また、その性格上、屋内で利用されるとともに、楽器音以外の騒音の発生が好ましくない電子楽器の電源としても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池モジュールの概略を示す断面図。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池モジュールにおいて排水ポンプの近傍を拡大した模試的な断面図。
【図３】パッケージ部材の厚さと燃料電池モジュールの外部に放出される音との関係を示す概略図。
【図４】周波数と燃料電池モジュールの外部に放出される音との関係を示す概略図。
【符号の説明】
【００３５】
１０：燃料電池モジュール、２０：燃料電池スタック、３０：駆動部、３１：空気ポンプ（供給ポンプ）、３２：燃料ポンプ（供給ポンプ）、３３：排水ポンプ（排出ポンプ）、４０：パッケージ部材、４４：保液部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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